Illustration d'une monocouche de cristal de disulfure de tungstène suspendu dans l'air et modelée avec un réseau carré de nanotrous. Lors de l'excitation laser, le cristal monocouche émet une photoluminescence. Une partie de cette lumière se couple dans le cristal monocouche et est guidée le long du matériau. Au niveau du réseau de nanotrous, la modulation périodique de l'indice de réfraction provoque la désintégration d'une petite partie de la lumière hors du plan du matériau, permettant d'observer la lumière comme une résonance en mode guidé. Crédit :laboratoire Cubukcu
Des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont mis au point le dispositif optique le plus fin au monde, un guide d'ondes composé de trois couches d'atomes.
Le travail est une preuve de concept pour réduire les appareils optiques à des tailles qui sont des ordres de grandeur plus petits que les appareils d'aujourd'hui. Cela pourrait conduire au développement d'une densité plus élevée, puces photoniques de plus grande capacité. Les chercheurs ont publié leurs résultats le 12 août dans Nature Nanotechnologie .
"Fondamentalement, nous démontrons la limite ultime de la finesse de construction d'un guide d'ondes optique, " a déclaré l'auteur principal Ertugrul Cubukcu, professeur de nano-ingénierie et de génie électrique à l'UC San Diego.
Le nouveau guide d'ondes mesure environ six angströms d'épaisseur, soit plus de 10, 000 fois plus mince qu'une fibre optique typique et environ 500 fois plus mince que les guides d'ondes optiques sur puce dans les circuits photoniques intégrés.
Le guide d'ondes est constitué d'une monocouche de disulfure de tungstène (constituée d'une couche d'atomes de tungstène prise en sandwich entre deux couches d'atomes de soufre) suspendue à un cadre en silicium. La monocouche est également modelée avec un réseau de trous nanométriques formant un cristal photonique.
La particularité de ce cristal monocouche est qu'il supporte des paires électron-trou, connu sous le nom d'excitons, à température ambiante. Ces excitons génèrent une forte réponse optique, donner au cristal un indice de réfraction environ quatre fois supérieur à celui de l'air, qui entoure ses surfaces. Par comparaison, un autre matériau de même épaisseur n'aurait pas un indice de réfraction aussi élevé. Lorsque la lumière est envoyée à travers le cristal, il est piégé à l'intérieur et guidé le long du plan par réflexion interne totale. C'est le mécanisme de base du fonctionnement d'un guide d'ondes optique.
Image SEM de la structure du guide d'ondes :une couche monocouche en disulfure de tungstène suspendue à motifs de trous nanométriques. Crédit :laboratoire Cubukcu
Une autre particularité est que le guide d'ondes canalise la lumière dans le spectre visible. "C'est difficile à faire dans un matériau aussi fin, " a déclaré Cubukcu. " Le guidage d'ondes a déjà été démontré avec le graphène, qui est également atomiquement mince, mais aux longueurs d'onde infrarouges. Nous avons démontré pour la première fois le guidage d'ondes dans la région visible."
Des trous nanométriques gravés dans le cristal permettent à une partie de la lumière de se disperser perpendiculairement au plan afin qu'elle puisse être observée et sondée. Ce réseau de trous produit une structure périodique qui fait également du cristal un résonateur.
"Cela en fait également le résonateur optique le plus fin pour la lumière visible jamais démontré expérimentalement, " a déclaré le premier auteur Xingwang Zhang, qui a travaillé sur ce projet en tant que chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Cubukcu à l'UC San Diego. "Ce système n'améliore pas seulement de manière résonante l'interaction lumière-matière, mais sert également de coupleur de réseau de second ordre pour coupler la lumière dans le guide d'ondes optique."
Les chercheurs ont utilisé des techniques avancées de micro- et nanofabrication pour créer le guide d'ondes. La création de la structure a été particulièrement difficile, dit Chawina De-Eknamkul, un doctorat en nano-ingénierie. étudiant à l'UC San Diego et co-auteur de l'étude. "Le matériau est atomiquement mince, nous avons donc dû concevoir un procédé pour le suspendre sur un cadre en silicone et le modeler avec précision sans le casser, " elle a dit.
Le processus commence par une fine membrane en nitrure de silicium supportée par un cadre en silicium. C'est le substrat sur lequel le guide d'ondes est construit. Un réseau de trous nanométriques est modelé dans la membrane pour créer un modèle. Prochain, une monocouche de cristal de disulfure de tungstène est estampée sur la membrane. Les ions sont ensuite envoyés à travers la membrane pour graver le même motif de trous dans le cristal. Dans la dernière étape, la membrane en nitrure de silicium est délicatement gravée, laissant le cristal suspendu au cadre en silicium. Le résultat est un guide d'ondes optique dans lequel le noyau est constitué d'un cristal photonique monocouche de disulfure de tungstène entouré d'un matériau (air) avec un indice de réfraction inférieur.
Avancer, l'équipe continuera d'explorer les propriétés fondamentales et la physique du guide d'ondes.
